介紹

器件復(fù)雜度、材料及幾何尺寸的不斷演進(jìn)，使單個器件的壽命與可靠性面臨前所未有的挑戰(zhàn)。曾經(jīng)可持續(xù) 100 年的工藝，如今可能僅剩 10 年壽命，這與產(chǎn)品的實際使用周期幾乎相當(dāng)。更小的誤差容限意味著，可靠性必須從器件設(shè)計伊始就被嚴(yán)密監(jiān)控——從研發(fā)、工藝集成到生產(chǎn)，每個環(huán)節(jié)都需持續(xù)驗證。

為了更高效地評估器件壽命，許多 IC 廠商已從封裝器件級測試轉(zhuǎn)向晶圓級可靠性（WLR）測試。該方法能在晶圓階段直接評估器件性能，避免封裝故障帶來的時間、材料和資金損失。相較傳統(tǒng)方式，WLR 測試大幅縮短了測試周期——晶圓可直接從生產(chǎn)線抽檢，無需等待長達(dá)數(shù)周的封裝流程。同時，WLR 與傳統(tǒng)器件級測試在方法上具有高度一致性，遷移實施更為便捷。

WLR測試的應(yīng)力測量技術(shù)

應(yīng)力測量測試是一種通常用于評估半導(dǎo)體器件工作壽命和失效機制的技術(shù)。該測試側(cè)重于典型故障率浴盆曲線右側(cè)的故障 (圖1)，即與制造故障無關(guān)的故障。

圖1. 典型的半導(dǎo)體可靠性曲線

應(yīng)力測量測試可以快速生成外推曲線，以預(yù)測器件的使用壽命，此類數(shù)據(jù)用于評估器件設(shè)計和監(jiān)控制造過程。由于典型的設(shè)備壽命是以年為單位測量的，因此需要技術(shù)來加速測試，最有效的方法是對設(shè)備進(jìn)行過度應(yīng)力測試，測量運行的關(guān)鍵退化趨勢，并將數(shù)據(jù)外推到整個使用壽命。

以圖2為例，曲線的右下方部分（收集的數(shù)據(jù)）是在高應(yīng)力條件下生成的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)生成一條線，可用于預(yù)測正常工作條件下的設(shè)備壽命（曲線左上部分）。

圖2. HCI測試的壽命可靠性外推

經(jīng)常使用應(yīng)力測量技術(shù)的WLR測試包括熱載流子注入(HCI)[1]或溝道熱載流子 (CHC)、負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性(NBT)[2]、電遷移率[3]、時間相關(guān)介電擊穿 (TDDB)[4]和電荷擊穿 (QBD)[5]測試。這些測試已成為主流 CMOS器件開發(fā)和工藝控制的關(guān)鍵。

WLR測試儀器趨勢與要求

現(xiàn)在新器件和材料需要修改這些已建立的測試，并要求儀器功能可以實現(xiàn)這些新技術(shù)。

可靠性測試已經(jīng)發(fā)展到適應(yīng)新設(shè)備和材料的需要。雖然HCI仍然是一個重要的可靠性問題，但工程師現(xiàn)在必須關(guān)注PMOS的NBTI[6]，高k柵極晶體管的電荷捕獲[7]，以及NBTI、TDDB和HCI之間的交叉效應(yīng)，例如NBTI增強熱載流子[8]，TDDB增強NBTI[6]。為了應(yīng)對這些新現(xiàn)象，測量方法已經(jīng)從直流應(yīng)力和測量發(fā)展到現(xiàn)在同時使用直流和脈沖應(yīng)力來研究退化效果。此外，儀器儀表現(xiàn)在包括更全面的器件表征套件，其中包括直流I-V、交流C-V、電荷泵和電荷捕獲?？偨Y(jié)了一些WLR測試趨勢。

表1. 最近的晶圓級可靠性測試趨勢

這些不斷變化的測試要求工程師找到高效合適的設(shè)備和適合工藝開發(fā)的儀器。所選擇的工具應(yīng)該采集應(yīng)力引起的參數(shù)退化的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并且能靈活適應(yīng)非傳統(tǒng)的WLR測試，例如應(yīng)力C-V、NBTI等等。

這個工具還應(yīng)該是可擴(kuò)展的，這樣就不需要每次出現(xiàn)新的測試問題都去購買一個全新的系統(tǒng)。這個工具應(yīng)該易于理解，這樣工程師就可以把寶貴的時間集中在分析數(shù)據(jù)上，而不是學(xué)習(xí)使用測試系統(tǒng)。

在功能方面，一個現(xiàn)代化的可靠性測試臺必須提供以下幾點：

在不影響準(zhǔn)確性和外推壽命的情況下，硬件和軟件能加速測試。

控制半自動或自動探針臺和溫控托盤。

控制儀器、探頭、托盤，創(chuàng)建測試、執(zhí)行測試、管理數(shù)據(jù)。

可更改應(yīng)力序列，以應(yīng)對新材料測試和失效機制。

分析軟件，提供易于提取的測試參數(shù)和繪圖工具。

4200A-SCS和4225-PMU超快脈沖I-V的功能

4200A-SCS 是一款模塊化、完全集成的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，具備晶圓級可靠性測試能力，支持半導(dǎo)體器件的 DC I-V、脈沖 I-V 和 C-V 表征。系統(tǒng)最多可配置 9 個模塊插槽，用于安裝源測量單元（SMU）、電容電壓單元（CVU）及脈沖測量單元（PMU），并可通過 GPIB、以太網(wǎng)或 RS-232 控制外部儀器（如探針臺、LCR 表或開關(guān)矩陣）。配套軟件集成測試序列管理、數(shù)據(jù)表格與繪圖功能，既適用于交互式研發(fā)操作，也支持自動化量產(chǎn)測試。

4225-PMU 是 4200A-SCS 的高速脈沖 I-V 模塊，擁有雙通道脈沖產(chǎn)生與實時測量功能，可在微秒級精度下表征 NBTI、PBTI 等退化行為，為設(shè)計內(nèi)可靠性（DIR）建模提供支持。

可選配的 4225-RPM 遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)可放置于 DUT 附近，減少寄生效應(yīng)、優(yōu)化脈沖波形，并實現(xiàn) SMU、CVU 與脈沖源間的自動切換，無需重新布線。

典型配置包括：主機 4200A-SCS、4 個 SMU、2 個 4225-PMU 與 4 個 4225-RPM，可實現(xiàn)多通道脈沖與 DC 測試。針對前沿硅基器件的超快速 BTI 測試，可選配 4200-BTI-A 工具包（含 4225-PMU、4225-RPM 及 ACS 軟件），支持動態(tài)測試與晶圓映射，最大限度減少恢復(fù)效應(yīng)影響。

使用Clarius軟件進(jìn)行WLR測試

4200A-SCS系統(tǒng)提供的標(biāo)配軟件Clarius包括一組用于WLR測試的項目。這些項目包括一個具有可配置的測試級和項目級的應(yīng)力測量循環(huán)，以及一個用于在晶圓上每個site上進(jìn)行測試的循環(huán)項目[10]。圖3顯示了HCI范例項目。該圖顯示了某一個特定的參數(shù)隨時間推移而被測試，每個點代表一個應(yīng)力周期后不同的測量。左邊的窗口是測試序列，顯示了測試的順序和項目的整體結(jié)構(gòu)。在Clarius項目庫中中有幾個用于WLR測試的項目，包括：

■熱載流子注入 (HCI)

■負(fù)溫度偏置不穩(wěn)定性 (NBTI)

■電遷移了（EM）

■電荷擊穿 (QBD)

熱載流子注入 (HCI) 退化

在現(xiàn)代ULSI電路中，HCI退化是一個相當(dāng)重要的可靠性問題。電荷載流子在MOSFET通道上被大電場加速時獲得動能。雖然大多數(shù)載流子到達(dá)了漏極，但熱載流子 ( 具有非常高動能 ) 由于撞擊電離可以在漏極附近產(chǎn)生電子——空穴對，這是原子級別的碰撞。另一些則可以注入柵極通道界面，破壞Si-H鍵，增加界面陷阱密度。HCI的影響是器件參數(shù)的時間相關(guān)性退化，如閾值電壓（VT），線性和飽和區(qū)域的漏極電流（IDLIN和lDSAT）和跨導(dǎo)（Gm） 。

典型的HCI測試程序包括對DUT進(jìn)行預(yù)應(yīng)力表征，然后是應(yīng)力和測量循環(huán)[11]（圖4）。在該循環(huán)中，器件在高于正常工作電壓的電壓下工作。在應(yīng)力之間監(jiān)測器件參數(shù)，并將這些參數(shù)的退化繪制為累計應(yīng)力對時間的曲線 (圖2)。在進(jìn)行該應(yīng)力和測量循環(huán)之前，相同設(shè)備的測量參數(shù)作為基準(zhǔn)值。

圖3. 實時數(shù)據(jù)顯示的HCI測試

圖4. HCI/NBTI /EM測試的流程

負(fù)溫偏不穩(wěn)定性 (NBTI)

NBTI是PMOS晶體管中存在問題的一種失效模式，隨著閾值電壓持續(xù)下降，新材料被引入柵極以保持設(shè)備級性能，但卻讓NBTI變得更糟。NBTI的退化是通過閾值電壓的時間變化來測量的，并與在高溫下的負(fù)偏置應(yīng)力下較慢的運行、更多的漏電和更低的驅(qū)動電流有關(guān)。

NBTI測試通常是一個應(yīng)力測量序列循環(huán)。在應(yīng)力期間，柵極施加負(fù)偏置電壓，晶體管的其余端子接地。在兩個連續(xù)應(yīng)力之間，在正常工作條件[12]下測量漏極電流。漏極電流或閾值電壓的退化被繪制為應(yīng)力——時間的函數(shù)。所有的應(yīng)力電壓和后續(xù)的測量都是在高溫下進(jìn)行的（例如，135°C）。NBTI的工藝流程與HCI類似，如表4所示。

由于BTI中的恢復(fù)效果，使用4200A-SCS的SMU的可用應(yīng)力測量特性可能無法對設(shè)備退化提供足夠的分析。4200A-SCS中的選件 (4200-BTI-A) 提供了超快速激勵和測量，以表征BTI在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件上的退化和恢復(fù)效果。

超快BTI工具包

偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）測試需要兼具高靈敏度與高速采樣，以實現(xiàn)精確表征。4200-BTI-A 工具包為此提供了最佳平衡：其核心 4225-PMU 模塊可在去應(yīng)力后 30 ns 內(nèi)啟動測量，并在 1 μs 內(nèi)完成晶體管 VT 的 ID-VG 掃描。配套的 4225-RPM 遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)模塊可在直流 I-V 與超快速 I-V 測量間自動切換，無需重新布線，同時抑制寄生效應(yīng)并提升低電流靈敏度。
系統(tǒng)配備的超快速 BTI 測試軟件與自動化表征套件（ACS）可靈活定義應(yīng)力條件與測試時序，支持單點 ID、OTF 與 ID-VG 掃描等多種測試模式，并可監(jiān)測退化與恢復(fù)行為，結(jié)合 4200A-SCS 的高精度 SMU 測量，實現(xiàn)從納秒級響應(yīng)到穩(wěn)定精度的全流程可靠性分析。

電遷移

電遷移是由電流引起的材料移動現(xiàn)象，是金屬化過程中主要的可靠性問題。 等溫電遷移試驗是對微電子金屬化進(jìn)行的加速電遷移試驗。 在等溫測試中，需要保持被測線的恒定平均溫度。

這個過程通過改變應(yīng)力電流來實現(xiàn)的。通過改變傳遞給線路的焦耳熱量（基于JESD61A-01標(biāo)準(zhǔn)[13]）em-const-i范例項目如圖9所示。子循環(huán) (em) 配置為使用單個設(shè)備 ( 金屬線 ) 上的電流應(yīng)力進(jìn)行。

該項目包括控制托盤溫度，在托盤達(dá)到指定溫度之前，子循環(huán)不會運行。在第一次預(yù)應(yīng)力后對器件進(jìn)行特性測試，再次執(zhí)行測試之前，在對器件進(jìn)行指定時間的電流應(yīng)力。循環(huán)完成后，最后一步冷卻托盤。

圖9. em-const-i項目中包含的電遷移測試

擊穿電荷 (QBD)

QBD項目包括ramp-v測試和ramp-i測試。這些測試遵循薄電介質(zhì)晶圓級測試的JESD35-A標(biāo)準(zhǔn)程序[14]。本項目（圖11）不使用子循環(huán)。

■ramp-v：電壓斜坡試驗。該測試用電容器或柵極氧化物上傾斜電壓應(yīng)力來表征低電場下電介質(zhì)的缺陷。

■ramp-j：電流密度斜坡測試。該測試用電容器或柵極氧化物上的傾斜電流應(yīng)力來表征高電場下電介質(zhì)的缺陷。

該測試還能夠?qū)崿F(xiàn)有界的“I-Ramp”測試，前提是將電流設(shè)置為斜坡上升到指定水平，然后保持直到擊穿。有界的“I-Ramp”測試提供了可重復(fù)的電荷擊穿(QBD) 測量。

圖11. QBD項目中包含的QBD測試

結(jié)論

不斷發(fā)展的設(shè)計尺度和新材料使得可靠性測試比以往任何時候都更加重要，這也推動了對可靠性測試和建模的需求進(jìn)一步向上游發(fā)展，特別是在研發(fā)過程中。儀器制造商正在使用更快、更敏感、高度靈活的新型可靠性測試工具來應(yīng)對，以幫助降低測試成本并縮短上市時間。Keithley的4200A-SCS參數(shù)分析儀和工具包提供了快速測試所需的硬件和軟件以及完整的器件特性和可靠性測試。